(中铁广州工程局集团港航工程有限公司 广东广州 510660)
CAI HONGXI
(China Railway Group Guangzhou Engineering Bureau Harbor Engineering Co., Ltd. Guangzhou, 510660,china)
摘要:目前国内并未在水工领域形成系统性的深基槽开挖监测技术，尤其是当岸坡为安全风险高的油罐时，如何通过科学监测，研究确定基槽分层厚度、安全开挖距离、岸坡沉降及其稳定性之间的关系，以保证岸坡沉降及其稳定性符合相关要求，来实现基槽开挖的顺利完成就成了所有施工人员想解决的关键问题。因此研究数值模拟与实时监测在水下深基槽开挖中的应用具有重要的现实意义。
关键词:深基槽；监测；沉降；边坡稳定
在重力式码头施工中，基槽的施工监测极其重要，将直接影响工程的进度与质量。但是，目前国内并未在水工领域形成系统性的深基槽开挖监测技术，尤其是当岸坡为安全风险高的油罐时，如何通过科学监测，研究确定基槽分层厚度、安全开挖距离、岸坡沉降及其稳定性之间的关系，以保证岸坡沉降及其稳定性符合相关要求，来实现基槽开挖的顺利完成就成了所有施工人员想解决的关键问题。因此研究数值模拟与实时监测在水下深基槽开挖中的应用具有重要的现实意义。
一、项目概况
研究依托惠州港燃料油调和配送中心码头工程，该项目位于惠州市大亚湾区马鞭洲岛附近的东侧海域。2万吨级码头工程的建设规模为3个2万吨级泊位，泊位总长 665m，基槽挖泥总量约为478285m3。其中靠近华德石化区域基槽开挖的断面深度为-27.6m，岛上地面的标高为+10m,开挖边线距离岸边约50m，高差接近40m，加上现施工环境比原设计环境多了三个油罐，增加了基槽开挖过程中华德护岸滑移的风险。
二、监测原理
利用有限元分析软件，通过对最不利波浪、潮汐、圆弧滑动面的模拟研究，核定基槽开挖的安全系数。安全系数不满足的情况下，提交设计确认修改，核定设计变更后图纸的安全系数，并通过软件计算出不同深度的最大变形值。与实时监测得出的监测结果相结合，合理的进行分层、分段施工，从而确定施工过程中应该控制的重点，使整个基槽开挖过程具有可预见性，最终达到指导施工的目的。
三、监测及施工流程
1、收集波浪、潮汐、地质、华德护岸、油罐重量、油罐安全变形值、基槽开挖安全系数等资料，通过原设计图纸及实测得出开挖环境现状，使用有限元分析软件分析最终断面的安全开挖系数，参照规范安全系数，在分析结果不满足规范安全系数的情况下，提交油罐安全位移值及分析过程至设计，优化图纸，核定变更后图纸的安全开挖系数，确保基槽开挖满足规范中的安全系数。
2、根据优化后的设计断面，计算出不同深度的最大变形值，选择合适的监测预警值，在护岸边坡布设水平及深层沉降观测点，通过已计算出的不同深度最大变形值得出监测预警值，直接以监测结果指导施工。
3、根据优化后的设计断面，选择波浪、潮汐较小的工况，合理的分层分段施工，控制边坡坡度保证断面的完整性，校核各层土质保证安全系数，控制最不利圆弧滑动面开挖进度，加强监测频率，使整个开挖过程具有可预见性，保证施工安全、进度、质量的可控。
四、项目应用过程及问题分析
1、数值模拟与实时监测过程
收集相关数据，包括施工区域范围、地形地质资料、水文资料、影响边坡分析的其他因素等。再将收集到的数据编码成相应参数导入软件模型中，使模型能最真实的反应相应边坡状态。利用CAD建立边坡剖面图。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆再将画好的剖面图导入软件，用不同的网格组填充每层地质，再赋予相对应模型材料属性，最终达到用网格组代替土体的目的。在模型中添加相应荷载（如自重荷载、波浪荷载、油罐荷载等），潮位则通过改变土体有效重度来实现，最后对模型边界进行约束。最终CAD线框转化成边坡2D模型，利用它来模拟边坡稳定情况和位移情况。
边坡稳定工况分析可以得到边坡稳定安全系数和潜在滑动面云图，通过安全系数与标准值的对比，分析边坡是否稳定。根据基槽开挖图纸建立华德侧边坡模型，添加边坡稳定工况进行软件分析。
华德侧边坡稳定分析结果：边坡稳定安全系数为1.26484，边坡滑动面呈现双滑移的形态。1.26484（华德边坡安全系数）＜1.35(标准值)，则边坡模型安全系数1.26484不能满足稳定要求。将这一情况上报监理、设计、业主，设计单位回复将基槽北开挖点向南移5m，提高边坡稳定。收到设计单位回复后，建立修改后华德侧边坡模型进行校核： 修改后边坡稳定分析结果：边坡稳定安全系数为1.38984，边坡滑动面呈现双滑移的形态。此时1.38984＞1.35（标准值），由此可见按照设计意见将基槽北开挖点向南移5m的措施可以提高边坡稳定安全系数并满足标准值要求。
华德侧边坡整体沉降位移分析结果：边坡最大沉降处在模型右上角，沉降值为44.8mm。边坡最小沉降处在模型左下角，沉降值为0mm。油罐处沉降位移分析结果：油罐处竖向土体最大沉降处在表层（Y=0m），沉降值为42mm。最小沉降处在最深层土体（Y=60m），沉降值为0mm。油罐处竖向土体沉降位移表：由油罐处沉降位移曲线图导出沉降位移表。华德侧边坡整体水平位移分析结果：边坡最大水平位移处在模型第二级坡坡脚附近，水平位移值为65mm，边坡最小水平位移值为0mm；油罐处竖向土体最大水平位移处在Y=-14m值为36mm，最小水平位移在Y=60m值为0mm。
2、问题分析
潮汐、波浪等因素具有很多不确定性，如何根据理论分析选择合理的工况，本工程实际海上地质情况复杂，尤其是缺失部分边坡地质资料，综合考虑，只能采用离边坡最近的基槽地质资料进行分析，如何解决资料的可靠度问题？如何进行合理的分层分段施工？以及分层分段施工过程的监测如何有效的指导施工？
潮汐、波浪等与边坡安全开挖系数存在密不可分的关系，采用软件分析时均采用的是最不利的潮汐、波浪，所以，在靠近华德段90m基槽开挖的施工时间选择上，均是通过潮汐表选择平潮时间段施工，避开涨落潮时间段，使整个开挖过程更加安全。
引用资料需要施工过程中各参建单位全程参与，对每层的土质进行现场校核，由监理及设计共同确定各层地质实际情况。
工程工期紧，进场后就必须立即基槽开挖以满足进度的需要，而北端基槽开挖的详细资料均处于收集阶段。为此，采取的措施为预留最北端断面底往南50m基槽以满足规范分段要求，加上水平长度40m的边坡，共计预留90m基槽。分层方面则是根据规范要求，每层分层厚度不大于2m，与线性静力工况分析的间距取值相匹配，便于后期指导施工。
分层分段施工过程的监测如何有效的指导施工。根据工况分析，可以得出油罐位置及其竖向土体各点最大水平位移及沉降位移值，同时工况分析的竖向间距与分层厚度一致，可以将工况分析中各竖向土体的最大水平及位移沉降值作为每层基槽开挖监测的预警值，对开挖情况进行校核。断面形成后及时校核土质及验收，尽早进入抛石阶段，减少完整断面的成型时间，保证边坡的稳定。
五、应用成果
在工程项目施工及应用研究中及时发现了一些问题，包括原设计断面的边坡稳定安全系数不足，如何通过软件分析结果指导监测，如何通过理论计算及监测结果指导施工等。
根据原设计断面建模，边坡稳定分析结果：边坡稳定安全系数为1.26484，不满足标准值1.35。在研究中，发现原设计断面边坡稳定安全系数不满足标准值，立即将此情况上报设计校验，设计对原图进行优化，将基槽整体往南移动5m，我们对变更后的断面进行边坡稳定校核，发现安全系数符合相关规范，进而对变更断面进行工况分析，得出油罐位置及其竖向土体各点土体的最大沉降及水平位移值，与华德提供的油罐安全位移值比较，发现验算得出的安全位移值更小，于是便取较小值作为监测警戒值的参考依据。
对变更后断面进行线性静力工况分析，发现：①油罐位置及其竖向土体各点最大沉降位移值为42mm，②油罐位置及其竖向土体各点最大水平位移值为38mm。在华德侧总共布设了3个边桩监测点，5个沉降位移监测点，4个深层水平位移监测点，形成5个断面，对油罐周边进行重点监控。根据分析结果，加上安全方面考虑，各参建单位及专家形成以下意见：①将沉降位移及边桩预警值定为更安全的±40mm，②将水平位移值预警定为更安全的±35mm。而变化速率报警值则是根据监测单位、设计单位、监理、相关专家依经验值商讨得出。
本工程项目的监测自2015年12月23日开始至2016年3月22日监测工作完成，历时3个月，监测项目包括现场巡视、地表变形监测、深层水平位移监测等，监测次数达122次。虽然该项目监测点较少，但有效的指导了开挖工作的顺利进行，对保障马鞭洲岛的岸坡安全有极大的帮助。整个基槽开挖过程无较大沉降和水平位移，变化速率也一直处于安全可控范围内。
六、结束语
重力式码头深基槽开挖与边坡稳定性研究，通过数值模拟与实时监测的有效结合，成功的规避基槽开挖过程护岸滑移的风险，预先解决问题并为施工提供最优工况及最佳分层分段距离，反馈开挖信息，保证安全、高质、快速完成基槽开挖施工，值得在水工领域类似项目推广与应用。
论文作者:蔡鸿禧
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/5/7
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